Chemische reacties fine-tunen met licht

Onderzoekers van Amolf hebben ontrafeld hoe zulke nano-antennes de snelheid van chemische reacties verhogen. Ze ontdekten bovendien dat het vangen van licht met een iets andere kleur, kan zorgen dat er een totaal andere chemische reactie plaatsvindt.

"Dit onderzoek is nog zeer fundamenteel, maar laat zien dat het mogelijk moet zijn om met zulke nano-antennes een chemische reactor te ontwerpen die werkt op zonlicht en waarin verschillende reactieproducten gekozen kunnen worden. Dit kan grote economische en milieutechnische implicaties hebben", zegt postdoc Eitan Oksenberg. Zij publiceren het onderzoek in Nature Nanotechnology.

Op de grens van chemie en optica is onlangs een nieuw onderzoeksveld ontstaan, waarin wetenschappers het proces van zogenaamde plasmonische fotokatalyse onderzoeken. Ze gebruiken het uitzonderlijke vermogen van metalen nanostructuren om licht te concentreren in sub-nanoschaal volumes, om daarmee chemische reacties te initiëren. "Dit onderzoek is nog zeer fundamenteel, maar het concept is erg aantrekkelijk, omdat veel chemische reacties al een metaal als katalysator gebruiken", zegt Oksenberg. "Het idee is dat je, door omgevingslicht in zeer kleine volumes te concentreren, reactiehotspots krijgt, waarin geen hoge temperatuur of druk nodig is om een efficiënte chemische reactie te laten plaatsvinden."

Op zoek naar hoe het werkt

Hoe opwindend het onderzoeksveld ook is, de vooruitgang wordt vertraagd doordat nog veel onduidelijk is. Een van de dingen die niet goed wordt begrepen, is het exacte mechanisme dat de chemische reactie in gang zet. Oksenberg: "Als we metalen nanodeeltjes beschijnen met licht van de juiste kleur, gedragen ze zich als een antenne die het licht opvangt en concentreert in een zeer klein volume. Deze lichtconcentratie kan een chemische reactie veroorzaken, maar er is nog discussie over de vraag of de reactie direct wordt aangedreven door het geconcentreerde licht, door de hoogenergetische elektronen die ontstaan in het metaal, of door warmte die zich in het metaal ontwikkelt wanneer de elektronen hun energie verliezen."

Instelbare chemische reacties

Oksenberg en zijn collega’s ontwikkelden een manier om experimenteel onderscheid te maken tussen de verschillende processen die de chemie in gang zouden kunnen zetten. "Het is niet makkelijk om met licht te onderzoeken wat er aan het oppervlak van metalen nanodeeltjes gebeurt, want de nano-antenne heeft een veel sterkere interactie met licht dan de moleculen die de chemische reactie ondergaan", legt hij uit. "Echter, als de moleculen aan de oppervlakte van het metalen nanodeeltje veranderen, verandert ook de kleur en bandbreedte van de nano-antenne. Door de reflectie van licht aan meer dan duizend individuele metalen nanodeeltjes te meten, kunnen we deze kleine veranderingen in de loop van de tijd volgen, en daardoor een glimp te zien krijgen van hoe de chemische reactie verloopt."

De onderzoekers verwachtten te ontdekken hoe chemische reacties precies worden aangedreven door nano-antennes, maar ze zagen dat er niet één manier was, maar meerdere. "We zagen tot onze verrassing verschillende mechanismen aan het werk bij verschillende kleuren van het licht, die zeer verschillende chemische reacties veroorzaakten. Zelfs in ons zeer eenvoudige chemische model betekent dit dat het mogelijk is om de chemische reactieproducten te bepalen door de keuze van de kleur van licht."

Selectieve chemie

De ontdekking is veelbelovend voor mogelijke toepassingen van metalen nanodeeltjes als antennes in de chemische industrie. Oksenberg: "Als wetenschapper ben ik enthousiast over de mogelijkheid om chemische reacties te kunnen kiezen met licht en over de rijkdom aan chemiche mogelijkheden waar we nog maar een klein stukje van hebben gezien. Als we ons onderzoek kunnen uitbreiden naar het niet-zichtbare licht, zouden we zelfs geheel nieuwe chemische routes kunnen vinden die door dit soort nano-antennes geactiveerd worden. Dit heeft de potentie om de chemische technologie totaal te veranderen. Een chemische reactor op basis van de principes die wij hebben gezien, is niet alleen snel en zeer specifiek, maar werkt ook onder heel eenvoudige omstandigheden zoals een normale omgevingstemperatuur en heeft slechts zonlicht nodig als energiebron. Dat we hiermee de chemische industrie uiteindelijk efficiënter en duurzamer kunnen maken, heeft enorme economische en ecologische implicaties."